Суперпроводници и криопроводници

Суперпроводници и криопроводници

Познато је 27 чистих метала и више од хиљаду различитих легура и једињења у којима је могућ прелазак у суперпроводљиво стање. То укључује чисте метале, легуре, интерметална једињења и неке диелектричне материјале.

Суперпроводници

Када температура падне специфични електрични отпор метала опада и на веома ниским (криогеним) температурама, електрична проводљивост метала се приближава апсолутној нули.

1911. године, када је хладио прстен смрзнуте живе на температуру од 4,2 К, холандски научник Г. Камерлинг-Онес је открио да је електрични отпор прстенова изненада пао на веома малу вредност која се не може измерити. Такав нестанак електричног отпора, тј. појава бесконачне проводљивости у материјалу назива се суперпроводљивост.

Материјали са способношћу да пређу у суправодљиво стање када се охладе на довољно ниску температуру почели су да се називају суперпроводницима.Критична температура хлађења при којој долази до преласка материје у суправодљиво стање назива се суправодљива прелазна температура или критична прелазна температура Тцр.

Суперпроводни прелаз је реверзибилан. Када температура порасте на Тц, материјал се враћа у своје нормално (непроводно) стање.

Карактеристика суперпроводника је да ће електрична струја, једном индукована у суправодљивом колу, циркулисати дуго времена (година) дуж овог кола без значајног смањења његове снаге и, штавише, без додатног снабдевања енергијом споља. Попут трајног магнета, такво коло ствара у околном простору магнетно поље.

Немачки физичари В. Мајснер и Р. Оксенфелд су 1933. установили да суперпроводници током преласка у суперпроводно стање постају идеални дијамагнети. Према томе, спољашње магнетно поље не продире у суправодљиво тело. Ако се прелазак материјала у суправодљиво стање догоди у магнетном пољу, онда се поље „изгура“ из суперпроводника.

Познати суперпроводници имају веома ниске критичне прелазне температуре Тц. Према томе, уређаји у којима користе суперпроводнике морају да раде под условима хлађења течним хелијумом (температура течења хелијума при нормалном притиску је око 4,2 ДА СЕ). Ово компликује и повећава трошкове производње и рада суперпроводљивих материјала.

Осим живе, суперпроводљивост је својствена и другим чистим металима (хемијским елементима) и разним легурама и хемијским једињењима. Међутим, код већине метала као што су сребро и бакар, ниске температуре достигнуте у овом тренутку постају суперпроводне ако стање не успе.

Могућности коришћења феномена суперпроводљивости одређене су вредностима температуре преласка у суперпроводљиво стање Тц и критичном јачином магнетног поља.

Суперпроводни материјали подељени на меке и тврде. Меки суперпроводници укључују чисте метале, осим ниобијума, ванадијума, телура. Главни недостатак меких суперпроводника је ниска вредност критичне јачине магнетног поља.

У електротехници се не користе меки суперпроводници, јер суперпроводно стање у њима нестаје већ у слабим магнетним пољима при малим густинама струје.

Чврсти суперпроводници укључују легуре са искривљеним кристалним решеткама. Они задржавају суперпроводљивост чак и при релативно високим густинама струје и јаким магнетним пољима.

Својства чврстих суперпроводника откривена су средином овог века, а до сада је проблем њиховог истраживања и примене један од најважнијих проблема савремене науке и технологије.

Чврсти суперпроводници имају низ функција:

• при хлађењу, прелазак у суперпроводљиво стање се не дешава нагло, као у меким суперпроводницима и за одређени температурни интервал;

• неки од чврстих суперпроводника имају не само релативно високе вредности критичне прелазне температуре Тц, већ и релативно високе вредности критичне магнетне индукције Вкр;

• у променама магнетне индукције могу се уочити посредна стања између суперпроводног и нормалног;

• имају тенденцију да расипају енергију приликом проласка наизменичне струје кроз њих;

• зависна својства суперпроводљивости од технолошких метода производње, чистоћа материјала и савршенство његове кристалне структуре.

Према технолошким својствима, чврсти суперпроводници се деле на следеће типове:

• релативно лако деформабилне жице и траке [ниобијум, легуре ниобијум-титанијума (Нб-Ти), ванадијум-галијум (В-Га)];

• тешко се деформишу због крхкости, од којих се производи добијају методама металургије праха (интерметални материјали као што је ниобијум станид Нб3Сн).

Често суперпроводне жице прекривене "стабилизујућим" омотачем од бакра или другог високо проводљивог материјала електрична енергија и топлоте метала, што омогућава да се избегне оштећење основног материјала суперпроводника случајним повећањем температуре.

У неким случајевима се користе композитне суперпроводне жице, у којима је велики број танких филамената од суперпроводног материјала затворен у чврсти омотач од бакра или другог непроводног материјала.

Суперпроводни филмски материјали имају посебна својства:

• критична прелазна температура Тцр у неким случајевима значајно премашује Тцр расутих материјала;

• велике вредности граничних струја које пролазе кроз суперпроводник;

• мањи температурни опсег преласка у суправодљиво стање.

Суперпроводници се користе при стварању: електричних машина и трансформатора мале масе и димензија са високим фактором ефикасности; велике кабловске линије за пренос енергије на велике удаљености; посебно таласоводи малог слабљења; покреће напајање и меморијске уређаје; магнетна сочива електронских микроскопа; индуктивне калемове са штампаним ожичењем.

На основу филмских суперпроводника створен је низ уређаја за складиштење и елементи аутоматизације и рачунарске технологије.

Електромагнетни намотаји из суперпроводника омогућавају добијање максималних могућих вредности јачине магнетног поља.

Криосонде

Неки метали могу достићи на ниским (криогеним) температурама веома малу вредност специфичног електричног отпора п, која је стотине и хиљаде пута мања од електричног отпора на нормалној температури. Материјали са овим својствима називају се криопроводници (хиперпроводници).

Физички, феномен криопроводљивости није сличан феномену суперпроводљивости. Густина струје у криопроводницима на радним температурама је хиљадама пута већа од густине струје у њима на нормалној температури, што одређује њихову употребу у високострујним електричним уређајима који подлежу високим захтевима за поузданост и сигурност од експлозије.

Примена криопроводника у електричним машинама, кабловима и др. има значајну предност у односу на суперпроводнике.

Ако се течни хелијум користи у суперпроводним уређајима, рад криопроводника је обезбеђен због више тачке кључања и јефтиних расхладних средстава — течног водоника или чак течног азота. Ово поједностављује и смањује трошкове производње и рада уређаја. Међутим, потребно је размотрити техничке потешкоће које настају при употреби течног водоника, формирајући, у одређеном односу компоненти, експлозивну смешу са ваздухом.

Као криопроцесори користе бакар, алуминијум, сребро, злато.

Информације о извору: "Електроматеријал" Зхуравлева Л.В.